大雲山位於新牆河以北幾公里處，是第九戰區重要的前進陣地。日軍第11軍爲掩護主力部隊向新牆河以北集中、展開，佔領較大的渡河地帶，於9月7日命令第6師團向大雲山地區掃蕩。9月9日大雲山失守。
10日，第6師團主力認爲已經完成任務，撤離大雲山地區向桃林方向集結。國軍第102師、第59師一看機會來了，圍住留守的日軍第13聯隊一頓暴揍。日軍第40師團重鬆支隊趕到甘田接應第13聯隊撤往草鞋嶺，被國軍攆着打。雙方在甘田、團山坡的狹小區域內展開拉鋸戰，均傷亡慘重。
9月15日，第九戰區司令長官兼任國民黨湖南省主任委員和省主席的薛嶽將軍偵知日軍已經有4個師團以上的兵力集結於湘北，猛然醒悟——小日本是要來進攻長沙啊！他馬上命令第27集團軍主力向新牆河以南轉移，嚴陣以待。
9月17日，日軍集結完畢，到達進攻出發位置。阿南惟幾接受第一次長沙會戰兵力分散的教訓，將部隊並列部署在狹窄的正面，以期進行縱深突破。
18日拂曉，日軍在炮兵、航空兵、坦克的配合下強渡新牆河，突破國軍第4軍的兩道防線。軍長歐震鑑於日軍兵力佔優，正面阻擊已經不可能奏效，便命令各師交替掩護向關王橋以東的山區轉移。
19日，日軍第3、第4、第6師團快速向南突進，傍晚到達汨羅江北岸的石頭鋪、長樂街附近。第6師團一部渡過磨刀河，與奉命阻擊的國軍第37軍在顏家鋪、浯口一帶纏鬥。
20日，接到情報的蔣委員長領導的軍事委員會給第九戰區拍來雪片兒似的電報，詳細指揮本次戰役。萬萬沒有想到，這些電報全部被日軍特情部門竊收並破譯。軍事委員會指導得越具體，第九戰區的部隊打得越艱苦。日本預測出21日會出現日全食，趙繼統立刻給畑俊六發報，建議暫停攻擊，以免動搖軍心（‘陸軍御國旗’圖案爲日之丸居中向外散發16道旭日光芒，戰爭中如果發生日全食遮蔽住了血色的太陽，給日軍官兵蒙上了很大的心理陰影），國軍將士纔得到片刻喘息機會。
22日至24日，日軍突破主陣地，將國軍第26軍第95師、第140師包圍。國軍第37軍奉命向麻林市突圍，傷亡慘重。24日，日軍第40師團加入對國軍第26軍的圍攻。
25日夜，國軍第26軍陣地盡數失陷。第26軍奉命向金井東南地區轉移，與從平江南下的第72軍協同作戰。
日軍第3師團沿長嶽公路追擊由浯口突圍的國軍第37軍第140師到金井附近，與國軍第10軍遭遇。24日戰鬥打響，戰至26日，第10軍各師陣地被日軍突破，部隊分散突圍。第九戰區預定的在汩羅江兩岸與日軍決戰，殲滅日軍主力的企圖破滅。
25日，日軍第3、第4、第6、第40師團、早淵支隊、荒木支隊陸續抵達撈刀河北岸，逼近長沙。薛嶽電令第79軍守備撈刀河南北地區，保衛長沙外圍；暫編第2軍先頭部隊暫編第8師於26日到達榔梨市待命；第74軍兩個師向黃花市挺進。這份電報卻被日軍截獲。
日軍一看國軍第74軍來了，立刻瞪大了眼睛。國軍第74軍一直是日軍第11軍的老對手，沒有少讓日軍第11軍吃苦頭。阿南惟幾立刻調整兵力部署，命令第3、4、6師團放棄既定目標，全力圍殲第74軍。
25日晚，第九戰區長官部從長沙撤往湘潭。第74軍先頭部隊第57師到達撈刀河北岸的春華山附近，發現春華山已經被日軍佔領。第57師馬上搶佔撈刀河南岸的天鵝山，與日軍形成對峙。日軍向天鵝山發動攻擊，雙方激戰竟夜。日軍被擊退，第57師乘勝追擊，一舉奪回春華山，掩護主力集結。隨後，將春華山交給第58師，北上麻城迎擊日軍。
27日，第57師與日軍第3師團主力鏖戰，傷亡近3000人仍然堅守陣地，毫不退讓。與此同時，第58師在春華山、夏家塘、伍家渡一線，第51師在伍家渡、楊家灘一線，第37軍第59師在王家衝、楊公橋一線與日軍第4師團、第6師團、第3師團一部激烈戰鬥，給予日軍沉重殺傷，自己也損失嚴重。
27日夜，薛嶽命令第74軍撤出戰鬥。日軍渡過撈刀河，直逼長沙。薛嶽以及國民軍事委員會沒有想到日軍能夠攻入長沙，長沙郊區和市區沒有構築任何防禦工事。長沙陷落，生靈塗炭。至此，日軍第11軍認爲已經完全達到預期的作戰命令，停止攻勢。
10月1日，國民黨第3、5、6戰區策應長沙作戰的部隊紛紛向各地日軍發起猛攻。特別是第6戰區進取宜昌，殲敵7000多人。這一招“圍魏救趙”逼得孤守宜昌的日軍連連求救，迫使大軍回援。薛嶽發現日軍撤退，立刻上報蔣委員長。蔣委員長下令各戰區參戰部隊對日軍圍追堵截，出了一口悶氣。
10月9日，日軍全部退回新牆河北，第二次長沙會戰結束。據戰後統計：中方傷亡17426人，日軍傷亡48327人（日方統計，整個會戰中中國軍隊遺棄屍體5.4萬具，被俘4300人;日軍傷5184人，亡1670人。這個統計顯然誇大了日軍的戰果）。
狠狠的挫敗了日軍的囂張氣焰，也粉碎了中國派遣軍總司令畑俊六“新館上任三把火”的意圖。趙繼統因爲戰前示警、設計滯敵、通報密碼被破譯等功勞（鼓勵日軍東進侵略別的國家擺不上臺面）被任命爲陸軍中將、並獲青天白日勳章一枚。
蘇聯斯大林同志在獲得那份“日本不會在西伯利亞採取行動”無比寶貴的情報後，迅速抽調遠東軍隊到歐洲方向，包括精銳的5個步兵師和3個坦克師。這些坦克師裝備的都是有名的T-34坦克。這支生力軍投入戰場，向在 莫斯科城下筋疲力盡、傷亡慘重的德軍殺去。德軍哪裡還能招架得住，於是出現了令全世界目瞪口呆的一幕：號稱天下無敵的德軍在蘇軍的凌厲反攻面前，從莫斯科 城下踉蹌敗退，其常勝不敗的神話有如泡沫一般地破滅了。
特此授予趙繼統“列寧勳章”（蘇聯二戰時期的最高獎賞）。